Science｜维生素A参与调节干细胞谱系选择

撰文｜风

机体组织内存在干细胞以实现组织稳态和损伤修复。在成年人中，组织内每天因磨损而损失的500-700亿个细胞通过谱系限制的驻留性干细胞得到补充【1】。正常情况下，驻留性干细胞定居在组织独特的生态位中，通过复杂的微环境维持自我更新和向特定细胞的定向分化。研究发现，组织结构损伤会破坏这种干细胞的局部微环境，导致稳态失衡。在这个过程中，干细胞会发生一种名为谱系可塑性（lineage plasticity） 的改变，并向组织损伤部位迁移，增殖分化为其他谱系细胞【2】。谱系可塑性是一种典型的损伤诱导应激反应，赋予干细胞命运选择的灵活性，其特征是同时表达新谱系和旧谱系细胞的经典转录因子【2】。损伤组织修复完毕后，干细胞会退出可塑性状态，重新定居于生态位中重塑稳态。这种退出过程一旦发生紊乱会导致慢性损伤状态或癌变 （） 。然而，谱系可塑性状态如何退出目前仍然不清楚。

干细胞谱系可塑性研究多在皮肤损伤、移植和肿瘤等领域。作为一个较为理想模型，皮肤内存在两种成体干细胞，位于毛囊突起的毛囊干细胞（hair follicle stem cells，HFSCs） 和表皮基底层的表皮干细胞（epidermal stem cells，EpSCs）【3, 4】。在不同损伤深度下，不同程度的HFSCs和EpSCs会迁移出生态位，进入谱系可塑性状态，修复损伤组织。皮肤干细胞谱系可塑性的典型特征是同时表达HFSCs的转录因子Sox9和EpSCs的转录因子Klf5【3】。有意思的是，离体分离的HFSCs在富血清和营养因子培养下，会模拟类似的谱系可塑性状态，表现为Sox9和Klf5的共表达，以及广泛的谱系可塑性相关染色质重塑【5】。这种现象背后的影响因素和机制仍不清楚。

近来，美国洛克菲勒大学霍华德休斯医学研究所的Elaine Fuchs研究团队在Science杂志在线发表题为Vitamin Aresolves lineage plasticity to orchestrate stem cell lineage choices的研究文章。该研究以小鼠皮肤损伤为模型，发现未退出谱系可塑性的皮肤干细胞不能有效促进毛发再生和皮肤修复，并首次鉴定维生素A作为毛囊干细胞生态位的关键活性物质调节毛囊干细胞的谱系选择。

团队首先构建Klf5-EGFP-NLS的HFSCs细胞，该细胞在富血清条件下表达Klf5，血清撤掉后Klf5表达降低。通过此细胞体外模型，作者筛选3种小分子可以显著降低Klf5水平，包括ERK抑制剂 （ERKi） 、蛋白酶C抑制剂 （PKCi） 和全反式维甲酸（atRA） 。鉴于ERKi在正常毛发周期中的作用，作者关注PKCi和atRA。虽然atRA在降低Klf5水平上不如PKCi，但其能显著促进Sox9表达，两者同时处理更能促进谱系可塑性状态退出并支持HFSCs身份。scRNA-seq在单细胞转录组上进一步支持上述发现。总之，这些数据表明atRA和PKCi在脱离谱系可塑性状态而维持HFSCs身份的作用。

随后，作者在HFSCs中转染视黄酸反应原件 （retinoic acid response element，RARE） -RFP腺病毒，可以在视黄酸 （retinoic acid，RA） 存在下与视黄酸受体 （retinoic acid receptor，RAR） -维甲酸X受体 （retinoid X receptor，RXR） 结合促进RFP表达而监测视黄酸代谢活性。atRA、视黄醇或维生素A都可以激活上述细胞的RFP表达，表明HFSCs可以代谢视黄醇为 atRA以及具有atRA受体。在体内RARE-RFP腺病毒转染后同样监测到皮肤损伤时RFP活性降低而谱系可塑性状态诱导；损伤2周后RFP活性恢复而SOX9+KLF5+细胞数量降低，表明atRA与谱系可塑性在损伤修复中的负相关。使用Sox9CreER;Rxra-fl/fl小鼠在HFSCs中敲除RXRa时，小鼠皮肤在没有损伤时HFSCs也表现出谱系可塑性表型，充分说明atRA信号抑制谱系可塑性以及维持HFSCs身份。随后，团队分离WT和RXR敲除小鼠的HFSCs并给予谱系可塑性诱导 （FBS） 和谱系可塑性消除 （atRA+PKCi） 后行ATAC-seq分析，结果的确说明atRA在染色质水平上消除谱系可塑性状态并促进HFSCs身份。

尽管atRA对于谱系可塑性状态的退出是至关重要的，但其并足以完全复制HFSCs体内特征。团队进一步研究atRA如何与已知的调控HFSCs的信号通路发挥功能。BMPs由HFSCs生态位的内突出层产生并维持HFSCs静息状态。虽然atRA允许HFSCs增殖，但低剂量atRA （10 nM） +BMPs却引发细胞周期退出并表现出静息特征，表明atRA建立必要的染色质基础并与BMPs协同促进静息并维持干性。相反，在新的生发周期中，HFSCs在BMP抑制剂和WNT激活调控下从静息态转变为激活态。激活的HFSCs产生SOX9+TCF3/4+和LEF1+TCF1+两种干细胞群体。有意思的是，R-spondins （WNT激动剂） 与atRA结合也能促进HFSCs由静息向激活转换，但所需atRA最优浓度要比维持静息的atRA最优浓度高10倍，提示atRA的相对浓度决定HFSCs维持静息（低水平）或激活（高水平）状态。随后，作者使用atRA介导的表皮抑制和谱系可塑性退出特性建立培养平台研究不同信号对HFSC的分化影响。结果显示HFSCs的谱系可塑性退出状态是接受毛囊微环境多种信号协调发育分化的先决条件。

最后，作者使用Sox9CreER;Rxra-fl/fl小鼠以及皮肤Cyp26b1 （atRA降解酶） 转染实验均证实在皮肤损伤时，atRA代谢缺陷的HFSCs更容易进入损伤皮肤上皮；然而，此时毛发的生长却受限，表明皮肤损伤后恢复atRA活性对于谱系可塑性退出以及毛发生长是必要的。与此同时，为了进一步贴近临床，作者也在维生素A饮食缺陷的小鼠中发现皮肤损伤时更多HFSCs进入谱系可塑性，但此过程可以被皮肤atRA涂抹补充抑制。尽管皮肤损伤时atRA代谢缺陷促进HFSCs向上皮募集并向表皮转化参与修复，但矛盾的是，实际皮肤屏障的恢复却仍旧延迟，表明皮肤可塑性退出同时也是皮肤修复的基础。

综上所述，这项研究不仅指出干细胞谱系可塑性的退出是组织稳态维持的重要因素，也证实维生素A代谢作为干细胞谱系选择的关键作用，对毛发生长、损伤修复和肿瘤等有治疗意义。

https://doi.org/10.1126/science.adi7342

制版人：十一

参考文献

1. Yejing, Ge., Elaine, Fuchs.(2018). Stretching the limits: from homeostasis to stem cell plasticity in wound healing and cancer.Nat Rev Genet, 19(5), 0. doi:10.1038/nrg.2018.9

2. Yejing, Ge., Nicholas C, Gomez., Rene C, Adam., Maria, Nikolova., Hanseul, Yang., Akanksha, Verma., Catherine Pei-Ju, Lu., Lisa, Polak., Shaopeng, Yuan., Olivier, Elemento., Elaine, Fuchs.(2017). Stem Cell Lineage Infidelity Drives Wound Repair and Cancer.Cell, 169(4), 0. doi:10.1016/j.cell.2017.03.042

3. Cedric, Blanpain., William E, Lowry., Andrea, Geoghegan., Lisa, Polak., Elaine, Fuchs.(2004). Self-renewal, multipotency, and the existence of two cell populations within an epithelial stem cell niche.Cell, 118(5), 0. doi:10.1016/j.cell.2004.08.012

4. Kevin Andrew Uy, Gonzales., Lisa, Polak., Irina, Matos., Matthew T, Tierney., Anita, Gola., Ellen, Wong., Nicole R, Infarinato., Maria, Nikolova., Shijing, Luo., Siqi, Liu., Jesse S S, Novak., Kenneth, Lay., Hilda Amalia, Pasolli., Elaine, Fuchs.(2021). Stem cells expand potency and alter tissue fitness by accumulating diverse epigenetic memories.Science, 374(6571), 0. doi:10.1126/science.abh2444

5. V R, Iyer., M B, Eisen., D T, Ross., G, Schuler., T, Moore., J C, Lee., J M, Trent., L M, Staudt., J Jr, Hudson., M S, Boguski., D, Lashkari., D, Shalon., D, Botstein., P O, Brown.(1999). The transcriptional program in the response of human fibroblasts to serum.Science, 283(5398), 0. doi:10.1126/science.283.5398.83

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